高清晰度安防监控技术热点探讨

文｜中国科学院自动化研究所 陈 龙

高清晰度安防监控技术热点探讨

文｜中国科学院自动化研究所 陈 龙

本文论述了高清标准及高清摄像机的分类，并就HD-SDI高清摄像机和IPC网络摄像机的异同进行了探讨，对高清视频监控发展前景也作了相应的阐述。

SLOC混合视频监控方案 HD-SDI 高清摄像机 IPC网络摄像机

高清化是视频监控发展趋势的主流，监控高清化的趋势目前已非常明显，并且已在道路交通监控等不少领域开始得到应用。未来的高清标准势必会对整个视频监控领域产生深刻影响。伴随着HDTV标准及智能功能前置应用的结合，高清摄像机的发展会更加迅猛，具有智能分析功能的高清摄像机将会成为新的亮点。

作为安防技术的核心，视频监控未来发展的主要方向一定是追求图像的高清晰度，尤以提高摄像机的性能指标为最重要和关键的目标。摄像机的主要技术指标有分辨率、动态范围、低照度性能。分辨率是决定视频图像能否被看得清楚的关键所在，而动态范围和低照度性能则是决定摄像机适用场合的关键指标，它们都对视频图像是否能够看得更加清楚与真切有着至关重要的影响。

1 高清的标准

国际上公认的电视高清标准——HD（High Definition）有两条内容，即视频垂直分辨率超过720p或1080i、视频宽纵比为16:9。物理分辨率达到720p以上即被称为高清，高清视频格式目前一般分为标准高清720p（1280×720分辨率、60Hz逐行扫描）和全高清1080p（1920×1080分辨率、逐行扫描）两种。

监控的高清标准还没有正式推出；目前HDcctv联盟提出的高清晰视频监控系统标准在业内有较广的影响，该标准支持高清电视（HDTV）信号数字流不经打包地传输。当前高清视频监控摄像机一般以像素标识值来作为指标（可从百万像素到1600万像素，如表1所示），但高清监控摄像机的帧速率可以比电视“25帧实时”的要求低，达到3~15帧即可。

表1 高清和标清视频监控摄像机性能比较表

除HDcctv标准外，“开放网络视频接口论坛（ONVIF）”和“实体安全互操作性联盟（PSIA）”也具有较大的影响力。三者在网络视频监控市场中三足鼎立，壁垒分明。它们各自关注的重点不同，ONVIF希望通过全球性的开放接口标准来推进网络视频在安防市场的应用，这一接口标准确保了不同厂商生产的网络视频产品具有互通性；PSIA意在为实体安防系统的硬件和软件平台提供一种标准化的接口，使基于IP网络的不同安防系统具有兼容性；而作为闭路高清领域的倡导者，HDcctv兼顾了模拟监控的方便性与网络高清监控的图像画质，以让使用者在最熟悉的环境下实现全高清视频监控为出发点，重点推广HD-SDI技术。

高清监控摄像机产品可依其影像传感芯片划分为两类：一是以CCD作为成像器件的摄像机，二是以CMOS作为成像器件的摄像机。由于CMOS在高像素方面有着一定的优势，因此市场上用于监控的高清摄像机大多是以CMOS传感器直接输出数字化视频信号的网络摄像机。未来，CMOS传感器提高的方向是改善低照度和黑暗环境下降低噪声的能力，为此Sony公司推出了创新的Exmor CMOS芯片，美国Aptina公司推出了全新的1/3in低照度130万像素和200万像素的CMOS感光芯片。

2 HD-SDI高清摄像机和SLOC混合高清解决方案

2.1 高清摄像机分类——IPC网络摄像机和HD-SDI高清摄像机的异同

（1）当前最热门的两种高清监控实现方案是采用IPC网络摄像机和采用HD-SDI高清摄像机。这两种摄像机都是先通过图像传感器获得图像数字信号，再通过ISP芯片进行图像处理；在此之后，IPC网络摄像机采取经压缩芯片对图像作压缩处理和打包后通过以太网的网口传输的模式；而HD-SDI高清摄像机则是将图像转换成HD-SDI（数字高清串行接口）非压缩串行数据，然后交由SDI芯片加以转换后通过BNC接口输出，之后再通过同轴电缆高速传输，由于省去了图像的压缩环节，故图像的失真度小，保障了监控事件的真实性和实时非压缩性，这是HD-SDI高清摄像机与IPC网络摄像机的本质区别。但是，由于SDI芯片最初是为广电系统定义的短距离、高保真数字视频传输方式所运用的，因此价格较高。表2给出了IPC网络摄像机和HD-SDI高清摄像机的详细对比。

表2 HD-SDI和IPC高清摄像机简要对比表

（2）IP视频监控系统不仅存在带宽和延时性问题，还存在IP地址外泄的安全隐患，因此HD-SDI高清监控系统将有可能凭借其无压缩、无延时的优势成为最佳的高清监控解决方案之一。

HD-SDI高清摄像机的主要优点有三：首先，HD-SDI高清摄像机提供的高清等级的实时图像，在视频线上传输时不会出现拖尾或掉帧，可靠度较高；其次，HD-SDI数字信号未经压缩，在传输过程中未经压缩与封包化处理，故不会产生图像延迟问题，就传输延迟性而言可以支撑起更好的实时监控解决方案；再则，对于用户而言，HD-SDI高清摄像机的安装设定和操作与传统CCTV无异，无需学习即能上手。

然而，HD-SDI高清摄像机也有不足之处：首先，HD-SDI数字信号传输距离短；其次，HD-SDI高清摄像机无法实现联网监控，而这是与目前主流的视频监控网络化趋势相悖的。孤岛式监控系统会越来越无法适应各类深层次的监控应用，特别是在发掘安防系统的附加价值时；因此，HD-SDI高清摄像机要成为市场的宠儿，还要解决许多问题。

2.2 创新的模拟数字混合高清监控方案SLOC

Intersil公司于2010年10月推出了SLOC（Security Link Over Coax）混合视频监控方案。该方案堪称是横空出世的创新，它能够支持通过一条同轴电缆同时传输模拟CVBS视频和高清数字IP视频（简单地说，SLOC即“模拟视频+IP码流”），这就使得百万像素IP摄像机能在现有的CCTV同轴基础设施上运行，其信号传输最远距离可达300m或更远，同时支持无延迟模拟CCTV和网络IP监控功能。SLOC技术的出现为实现视频监控系统从模拟CCTV到网络IP监控的无缝过度带来了佳音。

SLOC方案由一个基于SLOC技术的摄像机调制解调器PHY芯片TW3801和一个基于SLOC技术的接收机调制解调器PHY芯片TW3811组成。TW3801和TW3811是高度集成的调制解调器PHY子系统——其中包括一个模拟前端（AFE）、一个数字调制解调器和两个以太网介质无关接口（MII）。TW3801将其收到的CVBS信号和以太网MII信号一对一地组合成通过同轴电缆传输的专有输出信号，TW3811则对其从基于SLOC技术的摄像机调制解调器PHY IC收到的信号进行对等解码。

Sony公司已于2012年3月在全球范围内首家正式推出了基于SLOC技术的混合型高清摄像机IPELAHYBRID。它是一种从原有模拟系统升级到高清系统的快捷便利的方案，在成本控制、施工安装、操作管理、现有设备投资保护等诸多方面有着显著的优势。

3 实现高清监控需要从高清摄像机到高清显示过程的一条龙配套

要实现真正的高清监控，不能仅在摄像机环节实现高清化；只有从前端的监控摄像机、中端的传输设备，到后端的存储、显示设备等各个环节都高清化，才能实现真正意义上的高清监控。

高清视频监控系统的关键技术包括：高清图像采集技术，高清视频编码技术，高清视频传输技术，高清视频存储技术，高清视频接收、切换与显示技术，高清视频监控工程技术。

高清监控在当前面临着传输、压缩、存储、网络、性价比、照度要求、可靠性、应用环境条件、与标清的可融合性等多方面的压力与挑战。但与此相对的，建设高清视频监控系统也将会带动网络带宽、视频存储空间、图像解码能力等诸多方面的进步。前端网络化是高清化应用的基础条件，只有网络化才能推动高清化。

3.1 高清摄像机输出图像的存储方案

以720p标准高清监控为例，正常的监控录像所需硬盘容量大约为每路4~8G/h；出于经济性考虑将视频录像频率稍加降低，可压缩到3GB左右。如此按一个月保存时间计算，8路监控大约需要17T左右的容量——这是一个相当可观的数字。此外，高清监控系统不只要求存储设备容量大，对读写性能、可靠性也提出了更高的要求。

HD-SDI高清摄像机输出的SDI非压缩信号的数据量非常大，将其直接存储的成本将是相当大的。所以，从实际应用的角度考虑，HD-SDI视频图像的存储还是需要进行压缩的——可以采用新问世的支持HD-SDI视频的SDI-DVR存储装置（目前此类产品的存储路数都还比较少，多为4路）来解决，当然也可以用SDI编码器配合NVR来解决。

未来，在云计算概念上延伸和发展起来的云存储，将突破传统存储方式的性能和容量瓶颈。它可以通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，通过应用软件将网络中大量各种不同类型的存储设备集合起来、令之协同工作，实现存储性能与容量的线性扩展，让海量数据的存储成为可能，并使之共同对外提供数据存储和业务访问功能。云存储可能会是解决高清监控存储问题的一剂良方。

3.2 HD-SDI的同轴电缆传输与光网传输

HD-SDI信号由于传输速率很高，因此对同轴电缆的要求也较高，故HD-SDI专用的线缆（RG-58/59）的成本比较高。HDSDI专用线缆的传输距离比较短，但其传输的效果比网络传输好很多。若要进行较远距离的传输，则采用光纤传输更为有利。

3.3 高清监控接口

对高清监控系统而言，传输是一项关键技术，而传输接口更是必需加以关注的。由于非压缩高清视频的码流非常大（传输一路30FPS的1080p高清视频所需的数据速率高达1.485Gbps），因此无法在TCP/IP网络中传输。1080p高清视频只有经过压缩编码，码流大大降低后才能在TCP/IP网络中传输（采用RJ45接口）。

非压缩高清视频可以通过四种高清接口传输。

（1）HD-SDI接口是一种广播级的高清数字输入和输出端口，其中HD表示高清信 号，SDI（Serial digital Interface） 表 示数字分量串行接口。HD-SDI接口是基于SMPTE（摄影与电视工程师协会） 202M，在1.485Gbps或者1.485Gbps/1.001Gbps的信号速率条件下传输的接口规格，规定了数据格式、信道编码方式、同轴电缆接口的信号规格、连接器及电缆类型与光纤接口等。其最大的优势是采用75Ω同轴电缆传输视频和音频信号，采用BNC接口，有效距离为100m。

（2）HDMI（High Definition Multimedia Interface，高清晰度多媒体接口）是一种全数字化影像和声音传送接口，可以传送无压缩的视频和音频信号。最新的HDMI1.3规范的最高带宽可以达到4.95Gbps，实际视频信号传输带宽接近4Gbps，而1080p高清视频格式信号传输所需的带宽仅为2.2Gbps。HDMI的最远传输距离只有15m。

（3）DVI（Digital Visual Interface）， 即数字视频接口，最远传输距离仅5m。

（4）YPbPr色差分量接口，是逐行输入/输出的高清晰数字电视专业接口。YPbPr接口不是数字接口，仍然定义为模拟接口。它可以使用同轴电缆，也可以用BNC头，还可以使用普通莲花头。

表3给出了四种高清监控接口的详细对比。

表3 四种高清监控接口比较表

4 高清监控市场前景分析

（1）在当前的中国监控市场中，模拟摄像机仍占据摄像机应用总量的50%，但是其市场份额的逐年下降将是不可扭转的潮流，高清监控摄像机将异军突起，抢夺其市场。高清监控一定要走IP化的道路，否则是没有太大前途的。当前在欧美等发达国家，网络摄像机的普及率已达50%；而在中国，这一数字还只有10%左右，因此IP监控的增长空间非常巨大。但另一方面，由于受到网络带宽、建设成本、应用平台、使用习惯等因素的制约，高清监控的全面实现和普及还会有一个较长的过程。

总体而言，如果说IP高清已经给安防监控市场带来了新的变革，那么HD-SDI高清即因具有无压缩、无延迟、高清晰等亮点而将会在高清行业掀起新的波谰。

（2）预估2012年中国高清监控市场的占有率，IPC摄像机应用还是主流，大致将占到85%；而对于HD-SDI摄像机，由于2011年是其在中国的应用元年，而且其在构成监控系统时还会受到使用上及与周边设备搭配上的兼容性限制，以及配套产品还不够完善等因素的制约，因此即使最乐观地估计，其在2012年高清监控市场的占有率也只能发展到15%左右。

（3）伴随着HD-SDI高清监控摄像机同时出现的还有HD-SDI矩阵。与广电领域主要完成视音频简单切换功能的HD-SDI矩阵不同，安防监控用的HD-SDI矩阵还需具有传统模拟切换矩阵的交叉切换、报警联动、字符叠加、权限设置、视频环通、远程控制等安防特有的功能。此外，为了与应用规模需求的增加相适应，还需要研发出路数较多的HD-SDI矩阵。

另一方面，未来的安防监控市场可能会出现对在一个设备中同时兼容模拟、数字、网络信号的，混合型格式的需求，因此可能将出现多格式混合型的矩阵。

（4）在中国，模拟摄像机及以其为主构成的监控系统还占有半壁河山，模拟监控系统也在进行着高清化的革新——既出现了以模拟高线为代表的分辨率可达650线或更高的摄像机，也出现了由Techwell和Sony公司共同定义与开发的960H模拟高清解决方案。

960H模拟高清解决方案中的模拟摄像机采用Sony公司新一代的960H CCD Sensor，DVR 采 用 Techwell公司最新发布的模拟高清TW9960 A/D解决方案。其摄像机采用Sony公司的960H CCD和Effio DSP，水平解析度能够达到650TV line以上（黑白可达700TV line）；DVR采用支持960H编码的DSP。